小特集 周辺プラズマ研究の最近の進展 ６．ダイバータ模擬実験装置における最近の研究成果 大野哲靖 （名古屋大学理工科学総合研究センター） Recent Results in Divertor Plasma Simulators OHNO Noriyasu Center for Integrated Research in Science and Engineering, Nagoya University, Nagoya 464-8603, Japan (Received 9 December 2003) Recent studies using the linear divertor simulators are reviewed. The experimental results regarding detached recombining plasma, convective blobby plasma transport and plasma-material interaction related to tungsten and carbon dusts are reported. Keywords: molecular activated recombination, divertor, detached plasma, blob, tungsten, dust ６． １ はじめ いう概念を実証した先駆的な実験が，米国 PPPL の直線型 装置 QED において Hsu らによって行われた点である ［１３］． 環状磁場閉じ込め核融合装置のスクレイプオフ層および ダイバータ領域は，ダイバータ板に対して開いた磁力線構 PISCES-A［１４‐１６］，PPPL の PDS ［１７］，核融合科学研究所 造を有しており，この領域のプラズマを直線磁場配位で模 の TPD-I［１８， １９］において非接触プラズマに関する基礎研 擬するのがダイバータ模擬装置である．これまで，ダイ 究が引き続き行われた．その後トカマク装置，ダイバータ バータ模擬装置はスクレイプオフ層およびダイバータ領域 模擬実験装置において同時期に，放射および三体再結合の の様々な物理現象の解明に貢献してきた．現在稼働してい 観測が行われ，非接触プラズマ中の粒子損失過程としてプ るダイバータ模擬装置としては，米国 UCSD の PISCES- ラズマ体積再結合過程の重要性が認識された ［２０］．Fig. 1 A［１］，PISCES-B［２］，独国 IPP-Berlin の PSI-２ ［３］，露国ク は，非接触ヘリウムプラズマからの発光スペクトルを示し ルチャトフ研究所の LENTA［４］，また英国 UMIST の ULS ている．放射・三体再結合過程に伴う高励起準位からの発 ［５］などがある．国内では，名古屋大学 NAGDIS-I ［６， ７］， NAGDIS-II ［８， ９］，核融合科学研究所の TPD-II ［１０］，東京 大学の MAP-II ［１１］，東海大学の TPDSHEET-IV ［１２］など で各プラズマの特徴を生かした研究が行われている． 本章では，最近のダイバータ模擬実験装置での研究成果 の一端について紹介する． ６． ２ プラズマデタッチメントの物理 ６． ２． １ 原子・分子過程 プラズマデタッチメントとは，プラズマ−ガス相互作用 によりダイバータ板への粒子・熱流が著しく減少する現象 であり，ダイバータ領域での粒子・熱流制御法の切り札と 考えられている．この時生成されるプラズマを非接触プラ ズマと呼ぶ．非接触プラズマの研究は過去１０年余りの間に もっとも進展した研究分野の一つであり，それらの研究成 果をもとに国際熱核融合実験炉計画（ITER）の運転モード としては，ELMy H モードと部分非接触プラズマの組み合 Fig. 1 わせが考えられている．これまで，非接触プラズマ研究に ダイバータ模擬実験装置が果たした役割は極めて大きい． 特に強調しておきたいことは，プラズマデタッチメントと Spectrum from a detached He plasma at the neutral pressure of 6.1 mTorr (solid line) and theoretically calculated continuum spectrum (dashed line) at the electron temperature of 0.23 eV and density of 2.24 × 1019 m−3. author’s e-mail: [email protected] ２１２ J. Plasma Fusion Res. Vol.80, No.3 (2004)２ １２‐２１６ Special Topic Article Fig. 2 Recent Results in Divertor Plasma Simulators N. Ohno Rate coefficients as a function of electron temperature. 光が明瞭に観測されている［８］． 一方，励起状態にある水素分子が関与した新しい再結合 過程，いわゆる分子活性化再結合（Molecular Activated Recombination : MAR） の存在が理論的に予測された．この Fig. 3 分子活性化再結合過程は以下の反応式で表される［２１‐２３］． "" (a)：H2! +e # H−+H ! H−+A+ # H+A "" +A+ # (AH)++H (b)：H2! Spatial profiles in the y(radial)-direction of the negative ion density of nH−, the electron temperature Te, and the electron density ne for three different hydrogen gas pressures PDiv of 0.8 (solid circles), 3.5 (open circles) and 6 (solid triangles) mTorr. ! (AH)++e # A+H ""は振動励起状態にある水素分子を表し，A+ ここで H2! じく TPDSHEET-IV にて行われ，プラズマコラム中の高密 はプラズマ中の正イオンである．(a)では，まず振動励起状 度領域では，(b)の解離性再結合が主な過程であると報告 態の水素分子と電子との衝突により水素負イオンが形成さ されている． れ，この負イオンと正イオンにより荷電交換再結合過程が 分子活性化再結合は水素を主とした化学的連鎖反応がも おこる．また(b)では，振動励起状態の水素分子とイオンと たらす実効的な再結合過程である．最近炭化水素を媒体と の衝突により生成された分子イオンの解離性再結合に基づ した化学反応によって，さらにプラズマ再結合が促進され く反応過程である．いずれの反応も振動励起状態の水素分 ることが理論的に指摘された［２６］．この実 験 的 検 証 が 子の存在が重要である．Fig. 2 は衝突輻射コードにより計 算された MAR の速度係数 !$!%を表している．三体再結合 MAP-II において行われた．ヘリウムプラズマに種々の炭 の速度係数（!"#%）に比べて，1 eV 以上で比較的高い速度 測が行われ，Fig. 4 に示すようにヘリウム(a)や水素(b)導入 係数を持つことがわかる． に比べメタン(c)や特に高次の炭化水素(d)を導入した時に 化水素を導入した時のプラズマパラメータの計測と分光計 トカマク装置に先駆けて，分子活性化再結合の実験的検 プラズマ流に沿って離れた場所にあるプローブ間（上流の 証が NAGDIS-II において行われた ［２４］．高密度ヘリウムプ P１と中流 P２あるいは下流 P３の間）におけるプラズマ粒 ラズマに水素ガスを添加することによって，沿磁力線方向 子束の減少が大きいことが示された［２７， ２８］． のプラズマ密度の減少とターゲット板への熱流の低下が観 以上のように分子活性化再結合の実験的検証が，ダイ 測された．また水素ガス添加時の分光計測結果と水素原子 バータ模擬実験装置においてなされている．しかし一方 ・分子を考慮した衝突輻射モデルによる計算結果との詳細 で，トカマク装置における分子活性化再結合に関する研究 な比較が行われ，密度の減少が分子活性化再結合によると はAlcator C-Mod ［２９］における観測以外にはほとんどなく， 結論づけられた．さらに放射および三体再結合と分子活性 分子活性化再結合がトカマク装置の非接触プラズマ発生に 化再結合間の遷移についても詳細に調べられ，それぞれの おいて重要な再結合過程であるかについては，まだよくわ 再結合過程が主な非接触プラズマ発生に関するプラズマパ かっていない．今後の研究の進展が待たれる． ラメータ領域が明らかになった ［８］．分子活性化再結合の ６． ２． ２ 非接触プラズマの動的挙動 素過程の研究としては，TPDSHEET-IV においては水素プ ELMy H モード時の非接触プラズマの動的振る舞いの基 ラズマ中の負イオン密度分布とプラズマ分布計測が行われ 礎研究として，ダイバータ模擬実験装置において高周波加 ている．プラズマコラム周辺の低プラズマ密度領域では(a) 熱によりパルス的な熱流を生成し，非接触プラズマの動的 の荷電交換再結合が主な再結合過程であることが報告され 応答が調べられた［８， ３０］．パルス的な熱流による非接触状 ている（Fig. 3） ［２５］．さらに質量分析器を用いた計測が同 態の崩壊と復帰が観測された．パルス熱流に伴うダイバー ２１３ Journal of Plasma and Fusion Research Vol.80, No.3 March 2004 る．しかし，Blob の発生機構および伝搬過程は明確ではな く，詳細な観測および解析が必要とされている． これまでに，米国 UCSD の PISCES-A 装置においてイオ ン飽和電流の揺動が確率密度分布を用いて解析され，その 揺動特性が他のトカマク装置などの核融合装置の周辺プラ ズマ領域で観測される密度揺動と同じ統計的性質を有する ことが示された［３４， ３５］．また，真空容器壁への粒子束の８ 割程度が，非拡散的な輸送により担われていると評価され ている．また NAGDIS-II においては，ウェーブレット相関 法を用いて Blob の伝搬速度の評価が行われた ［３６］．さらに 高速度カメラを用いた観測により，プラズマコラム周辺領 域で Blob が発生し，径方向に輸送されている様子が捉えら れている［３７］． 第３章で述べられているようにトカマク装置における Blob 伝搬は，grad-!効果によると考えられている［３１］．一 方直線型ダイバータ模擬実験装置においては，プラズマ回 転に伴う遠心力や荷電交換による径方向への中性粒子流 （Neutral Wind）による摩擦力などが Blob 伝搬の原因とし て考えられている［３８］． ６． ４ プラズマ−対向材相互作用研究 ダイバータ模擬実験装置では，定常高密度プラズマの照 射によるプラズマ対向材料の照射損傷研究がこれまで行わ れ，数多くの研究成果があげられてきた．近年プラズマ対 向材料として，高融点金属（特にタングステン）が，高い スパッタリング閾値エネルギーや低い水素同位体吸蔵特性 により注目されている．これまでスパッタリング閾値エネ ルギー以下のイオン照射では，タングステンの損傷は起こ らないと考えられてきた．しかし，ダイバータ模擬実験装 Fig. 4 Evolution of the ion saturation current at P2 (midstream) and P3 (downstream), normalized to P1 (upstream), as a function of neutral pressure for (a) He, (b) H2, (c) CH4 and (d) C2H6 puffing series. The values of p1/e denote the e-folding pressures in mTorr. Note that the pressure scale of (c) and (d) is expanded compared with that of (a) and (b). 置での高密度ヘリウムならびに水素プラズマ照射実験にお タ板へのイオン粒子束の増加に対してのダイバータ板前面 ネルギーのイオンビームを用いた研究でも同様な現象が観 においてプラズマからの発光強度が減少する Inverse ELM 測されており，タングステンでのバブル・ブリスター形成 現象［３１］が観測され，衝突輻射モデルによる計算との比較 機構の解明が重要な課題となっている．Fig. 5は，高密度ヘ により Inverse ELM 現象が再結合プラズマから電離プラズ リウムプラズマに照射されたタングステンの走査型電子顕 マへの遷移によるものであることが示された．また，TPD 微鏡写真を示している．スパッタリング閾値以下のヘリウ -II 装置においては，閉ダイバータ構造を模擬した実験が行 ムイオンエネルギー（30 eV）での照射にもかかわらず，タ われ，非接触プラズマの電離フロント位置が自励振動する ングステン中に多くのバブルが形成され，それに伴いタン という興味深い現象が観測されている［３２］． グステン表面には多くの穴が開いていることがわかる．こ いて，スパッタリング閾値エネルギー以下のイオン照射に おいてもタングステン表面に円形上の膨らみ（ブリスター） やタングステン中に気泡（バブル）が発生することが実験 的に明らかになり，大きな話題となっている［３９-４２］．低エ のバブル・ブリスター形成はタングステン表面温度に大き ６． ３ バースト的揺動と非拡散的輸送現象 く依存しており，水素プラズマ照射では 950 K 以下の温度 第３章でも述べられているように，小さなプラズマの塊 でブリスターが形成され，ヘリウムプラズマ照射では1,400 （Blob）が磁力線を横切って輸送される非拡散的輸送現象 K 以上の温度でバブル形成が顕著になることが報告され が，核融合周辺プラズマにおいて重要な研究課題になって ている．現在のトカマク装置への高 Z 材料導入実験（第７ いる［３３］．トカマク周辺プラズマでは，Blob 伝搬を示唆す 章を参照）の実験条件では，上記のような顕著なバブル・ るバースト的な密度揺動が観測されている．またダイバー ブリスター形成は観測されていない．しかし長時間核燃焼 タ模擬実験装置の周辺領域においても，同様なバースト的 プラズマでは，周辺のヘリウム密度の増大や対向材料表面 な密度揺動が観測されており，Blob 伝搬は磁場閉じ込め方 温度の上昇により，特にヘリウムバブルの発生が懸念され 式に依存しない普遍的な現象ではないかと考えられてい る． ２１４ Special Topic Article Recent Results in Divertor Plasma Simulators Fig. 6 N. Ohno Troidal Divertor Plasma Simulator. 冷却に関連して，輻射輸送を考慮した放射損失過程や再結 合過程などに関連した原子・分子過程に関する研究も重要 である． ダイバータ模擬実験装置を用いた研究を発展させるため に，現在名古屋大学では高熱流トロイダルダイバータ模擬 試験装置の開発が行われている（Fig. 6）．この装置は，トロ イダル磁場と垂直磁場の組み合わせにより螺旋状の長い磁 力線接続を実現することができる．今後，長い磁力線下で の沿磁力線方向のプラズマ輸送や非接触プラズマの発生， トロイダル効果による Blob 的なプラズマ輸送現象の解明， さらに磁力線が浅い角度で壁へ流入する場合のプラズマ− Fig. 5 対向壁相互作用の研究などをおこなう予定である． SEM Photograph of tungsten exposed by helium plasma; (a) surface, (b) cross section. ダイバータ模擬研究では，核融合周辺プラズマ研究の重 要課題を如何に切り出して，研究テーマとして設定するか が重要である．課題の適切な設定により，多くのプラズマ また，核融合装置中での微粒子発生が，不純物発生や安 生成装置はダイバータ模擬実験装置としての研究を展開す 全上の問題（トリチウム吸蔵など）の観点から重要視され ることが可能である．このためには大型核融合装置，シ てきている．しかし核融合装置中での微粒子の発生機構は ミュレーション，原子・分子過程などの関連研究者間の連 明らかではなく，現在ダイバータ模擬実験装置などを用い 携と議論が不可欠である．このような活動が大学における た炭素系微粒子形成に関する実験が行われている． 核融合研究を行う上で重要であることを指摘し，本稿の結 びとしたい． ６． ５ おわりに 謝辞 ダイバータ模擬実験装置での最近の研究成果の概要を紹 本稿をまとめるにあたり，清水勝宏博士，滝塚知典博士， 介した．今後，ITER 等の次期核融合装置で想定される長 時間放電下での高熱流・高粒子束プラズマと対向壁相互作 門信一郎博士，高村秀一博士には貴重なコメントをいただ 用研究が重要であると考えられる．特に長時間放電は，短 きました．また，西島大輔博士の博士論文を参考にさせて 時間放電の積算では必ずしも模擬しえない場合がある．例 いただきました［４３］．ここに感謝いたします． えば先に述べたダスト発生については，プロセスプラズマ 中では放電のパルス化により同じ放電積算時間でも定常プ 参考文献 ラズマ中に比べてダストの発生が著しく抑制されることが ［１］D. M. Goebel, G. Campbell and R.W. Conn, J. Nucl. Mater. 121, 27 (1984). ［２］Y. Hirooka, R.W. Conn, T. Sketchley et al., J. Vac. Sci. Technol. A8, 1790 (1990). ［３］B. Koch, W. Bohmeyer, G. Fussmann et al., J. Nucl. Mater. 290-293, 653 (2001). ［４］I.I. Arkhipov, A.E. Gorodetsky, A.P. Zakharov et al., J. Nucl. Mater. 233-237, 1202 (1996). ［５］M.G. Rusbridge, G. Sewell, H. Qaosim et al., Plasma Phys. Control. Fusion 42, 579 (2000). 知られている．このような議論は，まだ核融合周辺プラズ マではすくないようである．また，ELM やディスラプショ ン発生にともなうパルス的プラズマ熱流の対向材への流入 過程も重要である．特に６． ４節で述べたブリスターやバブ ルが発生した材料では，局所的に熱伝導が著しく悪化して いる可能性があり，パルス的プラズマ熱流により局所的に 対向材表面温度が上昇し，ホットスポットの形成や材料の 溶融が考えられる．また，非接触プラズマ形成やプラズマ ２１５ Journal of Plasma and Fusion Research Vol.80, No.3 March 2004 ［６］S. Masuzaki and S. Takamura, Jpn. J. Appl. Phys. 29, 2835 (1990). A. Yu. Pigarov, Phys. Rev. Lett. 81, 8181 (1998). ［２ ５］A. Tonegawa, M. Ono, Y. Morihira et al., J. Nucl. Mater. ［７］増崎 貴，大野哲靖，高木 誠，高村秀一：電気学会論 文誌A 112, 913 (1992). 313-316, 1046 (2003). ［２ ６］R.K. Janev, T. Kato and J.G. Wang, Phys. Plasma 7, 4364 ［８］N. Ohno. D. Nishijima, S. Takamura et al., Nucl. Fusion 41, 1055 (2001). (2000). ［２ ７］S. Kado, H. Kobayashi, T. Oishi and S. Tanaka, J. Nucl. ［９］S. Takamura, N. Ohno, D. Nishijima and Y. Uesugi, Plasma Sources Sci. Technol. 11, A42 (2002). Mater. 313-316, 754 (2003). ［２ ８］仲野友英，門信一 郎：プ ラ ズ マ・核 融 合 学 会 誌 80, 91 ［１ ０］T. Oda, K. Sato, S. Namba et al., J. Nucl. Mater. 241-243, 1238 (1997). (2004). ［２ ９］J.L. Terry et al., Phys. Plasmas 5, 1759 (1998). ［１ １］K. Kobayashi, S. Kado, B. Xiao and S. Tanaka, J. Nucl. Mater. 290-293, 648 (2001). ［３ ０］Y. Uesugi, N. Hattori, D. Nishijima, N. Ohno and S. Takamura, J. Nucl. Mater. 290-293, 1134 (2001). ［３ １］U. Wenzel, K. Behringer et al., J. Nucl. Mater. 266-269, ［１ ２］A. Tonegawa, K. Kawamura, K. Takayama, N. Ohyavu and T. Watanabe, J. Adv. Sci. 11, 232 (1999). ［１ ３］W.L. Hsu, M. Yamada, P.J. Barret, Phys. Rev. Lett. 49, 1001 (1982). 1252 (1999). ［３ ２］A. Matsubara, T. Sugimoto, T. Shibuya et al., J. Plasma Fusion Res. 78, 196 (2002). ［１ ４］L. Schmitz, R. Lehmer, G. Chevalier et al., J. Nucl. Mater. 176-177, 522 (1990). ［３ ３］S.I. Krasheninnikov, Phys. Lett. A 283, 368 (2001). ［３ ４］G.Y. Antar, S.I. Krasheninnikov et al., Phys. Lev. Lett. 87, ［１ ５］L. Schmitz, L. Blush, G. Chevalier et al., J. Nucl. Mater. 196-198, 841 (1992). ［１ ６］L. Schmitz, B. Merriman, L. Blush et al., Phys. Plasma 2, 065001 (2001). ［３ ５］G.Y. Antar et al., Phys. Plasma, 10, 419 (2003). ［３ ６］N. Ohno et al., to be appeared in Contib. Plasma Physics. ［３ ７］N. Ohno et al., submitted to J. Plasma and Fusion Res. 3081 (1995). ［１ ７］G.S. Chiu and S.A. Cohen, Phys. Rev. Lett. 76, 1248 (1996). ［３ ８］S.I. Krasheninnikov and A.I. Smolyakov, Phys. Plasma 10, 3020 (2003). ［１ ８］N. Ohno, S. Masuzaki, M. Takagi, S. Takamura and K. Ishii, J. Nucl. Mater, 220-222, 279 (1995). ［１ ９］N. Ezumi, S. Mori, N. Ohno et al., J. Nucl. Mater. 241-243, ［３ ９］Fan C. Sze, R. P Doerner and S. Luckhardt, J. Nucl. Mater. 264, 89 (1999). 349 (1997). ［２ ０］N. Ohno, M. Tanaka, N. Ezumi, D. Nishijima, S. Takamura ［４ ０］M.Y. Ye, H. Kanehara, S. Fukuta et al., J. Nucl. Mater. 313 -316, 72 (2003). et al., Phys. Plasmas 6, 2486 (1999). ［２ １］S.I. Krasheninnikov et al., Phys. Lett. A 214, 285 (1996). ［４ １］D. Nishijima, M.Y. Ye, N. Ohno and S. Takamura, J. Nucl. Mater. 313-316, 97 (2003). ［２ ２］D.E. Post, J. Nucl. Mater. 220-222, 143 (1995). ［２ ３］A. Yu. Pigarov and S.I. Krasheninnikov, Phys. Lett. A 222, ［４ ２］K. Tokunaga, R.P. Doerner, R. Seraydarian et al., J. Nucl. Mater. 313-316, 92 (2003). 251 (1996). ［２ ４］N. Ohno, N. Ezumi, S. Takamura, S.I. Krasheninnikov and ［４ ３］西島大輔：博士論文（名古屋大学，２ ０ ０ ２年） ． ２１６
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